|
Модель выживания уточняет поиск обитаемых планет
|
|
|
|
Исследователи разработали модель обитаемости планет меньшего размера, чем Земля (STEHM), чтобы оценить, какие планеты могут поддерживать атмосферу, пригодную для жизни, сосредоточившись на размере и динамике атмосферы.
|
|
|
|
С 1992 года НАСА подтвердило существование более 6000 планет за пределами нашей Солнечной системы, и более 7000 предполагаемых планет все еще ожидают подтверждения. Эти далекие планеты, называемые «экзопланетами», вращаются вокруг примерно 4700 из более чем 100 миллиардов звезд, которые, по оценкам, населяют нашу галактику Млечный Путь. Текущие оценки предсказывают примерно одну экзопланету на каждую звезду в галактике.
|
|
|
|
Всего за несколько десятилетий ученые прошли путь от размышлений о существовании экзопланет до масштабных усилий по изучению тысяч из них. В рамках этого внутригалактического исследования также ведется поиск жизни, или, по крайней мере, планеты с условиями, которые могли бы поддерживать жизнь в том виде, в каком мы ее знаем.
|
|
|
|
«Единственный способ узнать, есть ли там признаки жизни, — это наблюдать за атмосферой этих планет», — сказала Мишель Хилл, научный сотрудник группы планетарного моделирования Лауры Шефер в Стэнфордской школе устойчивого развития им. Доэрра.
|
|
|
|
|
|
|
Хилл разработала модель обитаемости планет меньшего размера, чем Земля (STEHM), чтобы исследовать факторы, влияющие на способность планеты создавать и поддерживать атмосферу в контексте её размеров. Опубликованное в журнале The Planetary Science Journal исследование помогает сузить масштабный и дорогостоящий поиск потенциально обитаемых планет до тех, которые соответствуют минимальным требованиям к размеру.
|
|
|
|
Отбор по размеру, затем по условиям поверхности
|
|
|
|
Атмосфера планеты — это газовый щит, защищающий её поверхность от суровых условий космоса. Наличие достаточного объёма для создания поверхностной гравитации имеет решающее значение для удержания этой атмосферы, но масса — не единственная характеристика, влияющая на способность планеты удерживать атмосферу. Звездное излучение и частицы постоянно стремятся разрушить атмосферу планеты, в то время как вулканическая активность на поверхности и концентрация углерода и других элементов играют роль в способности планеты создавать и пополнять атмосферу.
|
|
|
|
Для создания STEHM Хилл использовал ExoPlex, код на основе Python, который использует радиус планеты и внутреннее давление для расчета ее массы и внутренних характеристик. Хилл создал шесть различных профилей планет, размер которых варьировался от половины радиуса Земли до размера Земли (в статье: от 0,5 радиусов Земли до 1,0 радиусов Земли), и включал такие характеристики, как плотность и толщина мантии, а также общая плотность планеты. Все профили планет были основаны на CO2-атмосферах каменистых планет с «застойной крышкой», которые, в отличие от постоянно меняющейся земной коры, имеют жесткую поверхность.
|
|
|
|
Результаты STEHM показывают, что планеты с радиусом 0,8 радиусов Земли, или планеты с радиусом, составляющим не менее 80% от радиуса Земли, могут сохранять свою атмосферу в течение 10 миллиардов лет и более, если они находятся на комфортном расстоянии от звезды, подобной нашему Солнцу. Более мелкие планеты, как правило, теряют свою атмосферу в течение 1 миллиарда лет, но у планет с радиусом 0,7 радиусов Земли есть шанс сохранить свою атмосферу, если другие факторы будут им на руку.
|
|
|
|
STEHM показал, что одним из важнейших факторов, определяющих сохранение атмосферы, является исходное содержание углерода в планете. Поскольку планеты образуются в результате столкновений газов и пылевых частиц, циркулирующих вокруг звезды, состав каждой планеты во многом зависит от случайного элементного состава этой солнечной системы. Более высокие уровни CO2 — парникового газа, окружающего планету, — помогают удерживать тепло, необходимое для поддержания жизни. Вулканическая активность на поверхности планеты высвобождает CO2.
|
|
|
|
Концентрации тепловыделяющих элементов, таких как радиоактивные вещества торий, уран и калий, в мантии планеты также играют свою роль. Эти элементы известны как тепловыделяющие, потому что при распаде они выделяют тепло, что продлевает цикл нагревания и пополнения. По мере их истощения мантия начинает остывать. Это охлаждение мантии прекращает вулканическую активность, что останавливает производство CO2 и в конечном итоге приводит к потере атмосферы.
|
|
|
|
Планеты с меньшим ядром и более толстой мантией потенциально могут содержать более высокие концентрации углерода и тепловыделяющих элементов, что позволяет им дольше пополнять свои атмосферы.
|
|
|
|
STEHM также продемонстрировал, что слишком много тепла на ранних стадиях может сократить продолжительность существования атмосферы. Хилл описал планеты с «горячим стартом» как планеты, имеющие более высокие внутренние температуры при своем формировании, которые расплавляют мантию и ее теплорегулирующие элементы на ранних этапах. Это может сделать атмосферу планеты более уязвимой во время пиковых уровней звездного излучения, которое первоначально снижается со временем по мере старения звезды.
|
|
|
|
Риск воздействия звездного излучения на планету зависит от ее положения в обитаемой зоне звезды, то есть от того, находится ли она достаточно далеко, чтобы избежать сгорания, но не слишком далеко в холодных внешних областях системы. Экстремальное тепло от излучения может расщеплять тяжелые молекулы CO2 на отдельные молекулы кислорода и углерода, которые легче и легче уносятся. Иногда эти «улетающие» молекулы обладают достаточным импульсом, чтобы увлечь за собой другие молекулы на своем пути выхода, что еще больше увеличивает потерю атмосферы.
|
|
|
|
Учитывая все эти факторы, Хилл усовершенствовал простой фильтр поиска по размеру, который может помочь ученым проводить более целенаправленные исследования потенциально обитаемых планет.
|
|
|
|
«Возможно, на других планетах под землей есть жизнь, но мы никогда не сможем ее увидеть, потому что не можем отправить что-либо на эти экзопланеты», — сказал Хилл. «Наш лучший шанс — это искать признаки жизни, анализируя атмосферы издалека».
|
|
|
|
Прошлые, настоящие и будущие атмосферы
|
|
|
|
Хилл подтвердил способность STEHM предсказывать судьбу атмосферы планеты, введя измерения ближайших соседей Земли, Венеры и Марса, которые находятся на противоположных концах спектра атмосфер. Модель правильно предсказала, что у Венеры плотная, устойчивая атмосфера из CO2, а у Марса — чрезвычайно тонкая атмосфера, которая со временем рассеялась.
|
|
|
|
Знание о слабой атмосфере Марса фактически послужило первоначальным вдохновением для STEHM. На фоне всеобщего ажиотажа вокруг «терраформирования» Марса для обитания человека, Хилл решил исследовать, существовал ли у Марса когда-либо шанс сохранить атмосферу в прошлом или настоящем. Исследование STEHM показывает, что даже при самых благоприятных начальных условиях, небольшой размер Марса и отсутствие тектоники плит означают, что шансы всегда были невелики.
|
|
|
|
Хронология формирования планет и сохранения атмосферы, охватывающая миллиарды лет, остается загадочным препятствием в поисках внеземной жизни, поднимая вопрос о том, когда жизнь может возникнуть, а также где она может возникнуть.
|
|
|
|
«Возможно, ответ на вопрос, почему мы до сих пор не нашли никакой жизни, заключается в том, что мы находимся на очень ранней стадии грандиозной схемы того, что было создано в результате жизни и смерти звезд», — сказал Хилл. «Возможно, мы одни из первых».
|
|
|
|
Хилл уже с нетерпением ждёт следующего этапа своих исследований, в ходе которого будут созданы профили каменистых планет с «подвижной крышкой», имеющих тектоническую активность, аналогичную земной, и сравнены с планетами с «застойной крышкой» в существующей модели.
|
|
|
|
Такие исследования экзопланет позволяют постоянно заново открывать для себя, насколько уникальна Земля по сравнению с тысячами других планет, идентифицированных на данный момент.
|
|
|
|
Источник
|
